«Сборник статей по истории науки и технологии (Бюллетень 240 Смитсоновского института)»

Шрадан (октаметилпирофосфорамид)

Рисунок 22.— Артур Корнберг (род. 1918) и Северо Очоа (род. 1905) разделили Нобелевскую премию по медицине и физиологии в 1959 году. Корнберг получил ее за исследования по биологическому синтезу дезоксирибонуклеиновой кислоты. В частности, он обнаружил, что для ферментативного синтеза должны присутствовать четыре трифосфатных компонента и небольшое количество конечного продукта в качестве «матрицы» («шаблона»). Очоа получил свою часть премии за исследования в области рибонуклеиновой и дезоксирибонуклеиновой кислот. В частности, Очоа синтезировал полирибонуклеотиды и использовал радиоактивный изотоп P32. Было обнаружено, что синтетические полирибонуклеотиды во всем главном напоминают природные вещества.

Рисунок 23.— Мелвин Калвин (род. 1911) получил Нобелевскую премию по химии в 1961 году за исследования фотосинтеза, в которых он определил функцию фосфоглицериновой кислоты как промежуточного продукта при синтезе углеводов из углекислого газа и воды зелеными растениями.

История фосфора, начавшаяся 300 лет назад, приобрела новое значение в этом столетии. В ее создание внесли вклад многие ученые: 13 из них получили Нобелевские премии за работы, напрямую касающиеся химического и биологического значения фосфорных соединений. В хронологическом порядке это: Эдуард Бухнер, Альбрехт Коссель, Отто Мейерхоф, Артур Харден, Ханс фон Эйлер-Хельпин, Дьёрдь де Хевеши, Карл Ф. Кори, Герти Т. Кори, Фриц Липман, лорд Александер Тодд, Артур Корнберг, Северо Очоа и Мелвин Калвин. Разработчики промышленного производства и коммерческого использования фосфорных соединений получили другие награды.

Некоторое представление о непрерывном росте в этой области [43] можно получить из следующих данных.

Phosphate Rock

annually “sold or used by producer” in the United States

in million long tons (2,240 lbs.)

1880 0.2

1890 0.5

1900 1.5

1910 2.655

1920 4.104

1930 3.926

1940 4.003

1945 5.807

1950 11.114

1955 12.265

1955 (world: about 56)

1960 17.202

1962 19.060

Источники: Бюро переписи населения США. Историческая статистика США с 1789 по 1945 г. (1949); Статистический ежегодник США.

Elemental Phosphorus

annually produced in the United States

in short tons (2,000 lbs.)

1939 43,000

1944 85,679

1950 153,233

1956 312,200

1958 335,750

1959 366,350

1960 409,096

1961 430,617

1962 451,970

Источник: Министерство торговли США.

ПРИМЕЧАНИЯ

[1] Вильгельм Гомберг, Mémoires Académie, 1666–1699 (Paris, 1730), т. 10, под датой 30 апреля 1692 г., стр. 57–61.

[2] Фортунио Лицето, Lithiophosphorus sive de lapide Bononiensi (Venice, 1640).

[3] Цит. по: Петер Йозеф Маккер, Chymisches Wörterbuch, 2-е изд. (Leipzig: Weidmann, 1789), т. 4, стр. 508, примечание «c» как «Kletwich (de phosph. liqu. et solid. 1689, Thes. II)».

[4] Фердинанд Гёфер, Histoire de la Chimie (Paris, 1843), т. 1, стр. 339.

[5] Г. В. фон Лейбниц, Mémoires Académie (Paris, 1682); Akademie der Wissenschaften, Miscellanea Berolinensia (Berlin, 1710), т. 1, стр. 91.

[6] Жан Элло, Mémoires Académie 1737 (Paris, 1766), под датой 13 ноября 1737 г., стр. 342–378.

[7] Маккер, указ. соч. (примечание 3), стр. 551.

[8] А. С. Маркграф, Akademie der Wissenschaften, Miscellanea Berolinensia (Berlin, 1743), т. 7, стр. 342 и след.; см. также Вильгельм Оствальд, Klassiker der Exakten Naturwissenschaften (Leipzig: Engelmann, 1913), № 187.

[9] Г. Ханкевиц [Ханквиц], Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 1724–1734, в сокр. (London, 1809), т. 7, стр. 596–602.

[10] Антуан Лоран Лавуазье, «Sur la Combustion du Phosphore de Kunckel, Et sur la nature de l’acide qui resulte de cette Combustion», Mémoires Académie 1777 (Paris, 1780), стр. 65–78.

[11] Гитон де Морво и др., Méthode de Nomenclature Chimique, Proposée par MM. de Morveau, Lavoisier, Bertholet, & de Fourcroy (Paris, 1787), таблица 9.

[12] Маккер, указ. соч. (примечание 3), стр. 513.

[13] Мари Боас, Robert Boyle and Seventeenth Century Chemistry (New York: Cambridge University Press, 1958), стр. 226; см. также Уиндем Майлз, «The History of Dr. Brand’s Phosphorus Elementarus», Armed Forces Chemical Journal (ноябрь — декабрь 1958 г.), стр. 25.

[14] Арчибальд Клоу и Нэн Л. Клоу, The Chemical Revolution (London: Batchworth Press, 1952), стр. 451.

[15] Эмиль Копп, Comptes-rendus hebdomadaires des Séances de l’Académie des Sciences, Paris (1844), т. 18, стр. 871; Вильгельм Гитторф, Annalen der Chemie und Pharmazie, прил. к т. 4, стр. 37; Антон Шрёттер, Annales de Chimie et de Physique, сер. 3, т. 24 (1848), стр. 406; см. также доклад Шрёттера «Phosphor und Zündwaaren» в кн.: А. В. фон Гофман, Bericht über die Entwicklung der Chemischen Industrie (Braunschweig: Vieweg, 1875), стр. 219–246.

[16] Р. Глаубер, Furni Novi Philosophici (Amsterdam, 1649), т. 2, стр. 12 и след.

[17] Герман Шеленц, Geschichte der Pharmazie (Berlin: Springer, 1904), стр. 598.

[18] Ж. Персонн, Comptes-rendus…, Paris (1869), т. 68, стр. 543–546.

[19] А. Вюрц, Dictionnaire de Chimie (Paris, 1876), т. 2, ч. 2, стр. 951.

[20] Карл В. Шееле, Nachgelassene Briefe und Aufzeichnungen, под ред. А. Э. Норденскёльда (Stockholm: Norstedt, 1892), стр. 38, 144.

[21] Й. Й. Берцелиус, Lehrbuch, пер. Ф. Вёлера (Dresden, 1827), т. 3, ч. 1, стр. 96.

[22] Томас Грэм, Philosophical Transactions of the Royal Society of London (1833), стр. 253–284.

[23] Justus Liebig’s Annalen der Pharmacie (1838), т. 26, стр. 113 и след.

[24] А. Вюрц, Annales de Chimie et de Physique, сер. 3, т. 16 (1846), стр. 190.

[25] Кэрролл Д. Райт, The Phosphate Industry in the United States, шестой специальный доклад Комиссара труда (Washington, 1893).

[26] Й. Стокласа, Biochemischer Kreislauf des Phosphat-Ions im Boden, Centralblatt für Bakteriologie… (Jena: Fischer, 22 марта 1911 г.), т. 29, № 15–19.

[27] Н. Т. Гобли, Comptes-rendus…, Paris (1845), т. 21, стр. 718.

[28] А. Вюрц, Comptes-rendus…, Paris (1868), т. 66, стр. 772.

[29] Л. Тудихум, Die chemische Constitution des Gehirns des Menschen und der Tiere (1901); см. также Х. Виткофф, The Phosphatides (New York: Reinhold, 1951).

[30] Уильям Крукс, British Association for the Advancement of Science, Reports (1887), отд. B, стр. 573.

[31] Ж. Е. Куртуа и А. Лино, Progress in the Chemistry of Organic Natural Products, под ред. Л. Зехмейстера (Vienna: Springer Verlag, 1961), т. 19, стр. 316–373.

[32] А. Вюрц, Dictionnaire de Chimie, прил. к ч. 2, [б. г.], стр. 1087; А. Коссель, Zeitschrift für physiologische Chemie, сер. 3 (1879), стр. 284.

[33] Александер Тодд, Les Prix Nobel en 1957 (Stockholm).

[34] Ханс фон Эйлер-Хельпин, Les Prix Nobel en 1929 (Stockholm).

[35] О. Мейергоф и Э. Лундсгор, Naturwissenschaften (Berlin, 1930), т. 18, стр. 330, 787.

[36] К. Ломан, Naturwissenschaften (Berlin, 1929), т. 17, стр. 624; К. Х. Фиск и Я. Суббароу, Science (Washington, 1929), т. 70, стр. 381 и след.

[37] Ж. Браше, Scientia, Revista di Scienza (1960), т. 95, стр. 119.

[38] Дьёрдь де Хевеши, Les Prix Nobel en 1940 (Stockholm). См. также Эдуард Фарбер, Nobel Prize Winners in Chemistry, 2-е изд. (New York: Schuman, 1963), стр. 179.

[39] См., например, Chemical Week, т. 77 (3 сентября 1955 г.), стр. 79 и след.; Ж. Болль, Chimie et Industrie (1960), т. 83, стр. 252.

[40] В. Ланге, Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (Berlin, 1929), т. 62, стр. 793; т. 65 (1932), стр. 1598.

[41] Герхард Шрадер, патент США 2,336,302 от 1943 г. (приоритет в Германии, 1938 г.); С. А. Холл и М. Джейкобсон, Industrial and Engineering Chemistry (1943), т. 40, стр. 694.

[42] А. М. Матцен и др., Journal of Agriculture and Food Chemistry (1955), т. 3, стр. 319.

[43] Джон Б. Ван Вазер, Phosphorus and its Compounds, 2 т. (т. 1, Химия; т. 2, Технология, биологические функции и применения), New York: Interscience, 1958, 1961.

Статья 40 — Примечание переписчика

Были исправлены следующие опечатки:

Страница 180: в «Abfällen, Vieweg, Braunschweig» было «Viewig».

Страница 192: в «But phosphatides occur» было «phosphatide soccur».

Страница 193: в «the nucleic acid from the thymus» было «nucleidic».

Страница 200: в «acetylcholine esterase» было «acetylcholin».

Страница 200: в «George de Hevesy, Carl F. Cori» запятая после Хевеши добавлена.

Сноска 39: в «See, e.g., Chemical Week, vol. 77» было «See. e.g.»

Написание «Bertholet» [Клод Луи Бертолле] приведено в том виде, в каком оно дано на оригинальном титульном листе работы, на которую ссылается данная статья.

Непоследовательное дефисное написание химических названий было сохранено.

Материалы Музея истории и технологии. Статья 41. Туннелестроение — экспозиция в музее

Роберт М. Фогель

INTRODUCTION 203

ROCK TUNNELING 206

SOFT-GROUND TUNNELING 215

BIBLIOGRAPHY 239

FOOTNOTES

INDEX

Рисунок 1. — Горные работы ранних европейских цивилизаций с использованием разрыхления породой огнем и ручной скалки для отбойки руды и камня. Модель МИИT [Музея истории и технологии] в масштабе 3/4 дюйма к футу. (Смитсоновское фото 49260-H.)

Роберт М. Фогель

ТУННЕЛЕСТРОЕНИЕ — ЭКСПОЗИЦИЯ В МУЗЕЕ

В период с 1830 по 1900 год произошли масштабные сдвиги в области туннелестроения, которое сегодня представляет собой важную, прочно утвердившуюся отрасль гражданского строительства. В настоящей статье представлен обзор развития этой сферы с исторической точки зрения, основанный на серии моделей, созданных для Зала гражданского строительства в новом Музее истории и технологии. Восемь описанных моделей иллюстрируют фундаментальные достижения, которые произошли между первым систематическим использованием огня первобытным человеком для выемки породы при горных работах и применением в конце XIX века комбинации сжатого воздуха, чугунной обделки и подвижного щита при строительстве подводного туннеля.

Об авторе: Роберт М. Фогель — куратор отдела тяжелого машиностроения и гражданского строительства в Музее истории и технологии Смитсоновского института.

Введение

За редким исключением, гражданское строительство представляет собой область, в которой конечной целью является сборка материалов в полезную конструктивную форму в соответствии с научно обоснованным планом, опирающимся на различные природные и налагаемые человеком условия. Это справедливо независимо от того, получаем ли мы, например, плотину, здание, мост или даже стационарные сооружения железной дороги. Однако одна из главных отраслей этой сферы основана на совершенно иной концепции. При проектировании и строительстве туннелей полезность «сооружения» проистекает не из объединения элементов, а из отделения одной части естественно существующего материала от другой для обеспечения прохода через прежнее препятствие.

При проходке твердой, прочной породы это составляет практически весь объем работы: откалывание породы от материнского массива и одновременное ее удаление из забоя. Противоположная крайность условий наблюдается при проходке туннеля в мягком грунте, разрабатываемом в материале, не способном удерживать себя над проемом туннеля. Здесь выемка разрабатываемого вещества имеет относительно небольшое значение и отходит на второй план перед лицом проблемы предотвращения обрушения окружающего материала в выработку.

Рисунок 2. — Гузекский туннель [Туннель Хузак]. Метод работ на ранних участках проекта; шпуры бурятся с помощью ручных домкратов. Модель МИИT в масштабе 1/2 дюйма к футу. (Смитсоновское фото 49260-L.)

Еще в одном ключевом отношении туннелестроение кардинально отличается от сопряженных с ним отраслей гражданского строительства. К немногим другим физическим начинаниям подходят с чем-либо подобным той неопределенности, которая сопутствует проходке туннеля. В еще большей степени это относится к горным туннелям, для которых часто невозможно выполнить разведочное бурение с целью определения характера материала и геологических условий, с которыми придется столкнуться.

Ход туннельных работ не поддается общему предварительному обследованию; инженер сталкивается не только с невозможностью предвидеть общие случайности, характерные для любых инженерных работ, но и с особым и зачастую непреодолимым непредсказуемым характером самой основы своей работы.

С другой стороны, подводные работы и работы в мягком грунте, хотя по-прежнему подверженные влиянию множества неопределенных факторов, в настоящее время гораздо более предсказуемы, чем в ранний период своей истории, просто потому, что природа преобладающих неблагоприятных условий в конечном счете оказалась вполне предсказуемой. Постоянное давление земли и воды, стремящихся заполнить выработанное пространство, сегодня преодолевается проходчиками с относительной легкостью и стабильностью.

Ни в одной другой отрасли гражданского строительства эмпиризм так долго не сопротивлялся натиску научной теории; ни в одной другой «практический инженер» не оставался в такой степени ключевой фигурой, определяющей успех или провал проекта. Гузекский туннель после 25 лет законодательных, финансовых и технических трудностей в 1875 году был наконец доведен до успешного завершения исключительно усилиями группы лиц, которые, хотя в большинстве своем были дипломированными инженерами-строителями, в еще большей степени являлись людьми огромных практических способностей, чувствовавшими себя увереннее в полевых условиях, чем в конторе.

ДеВитт К. Хаскин (см. стр. 234) во время следствия, последовавшего за гибелью нескольких человек в результате прорыва воздуха в его строившемся с применением сжатого воздуха Гудзоновском туннеле в 1880 году, заявил в свою защиту: «Я не ученый инженер, а практический… Я ничего не смыслю в математике; в своем опыте я постигал такие вопросы в целом; я считаю, что изучение математики в такого рода работе [туннелестроении] имеет тенденцию скорее притуплять ум, чем просвещать его…». Пожалуй, крайняя позиция, которая никоим образом не добавляет Хаскину авторитета, но не такая уж необычная для туннельных работ того времени. Разумеется, было бы несправедливо намекать, что такие люди, как Герман Хаупт, Брюнель-старший и Грейтхед, не были искусными инженерами-теоретиками. Но именно их врожденная способность оценивать вышележащие физические условия на участке и в ходе работ и управлять ими сделала возможным их значительный вклад в развитие туннелестроения.

Туннелестроение оставалось по большей части независимым от сферы математического анализа еще долго после того времени, когда все инженерные сооружения, кроме самых незначительных, проектировались именно таким образом. Таким образом, если строительное проектирование продвигалось вперед в результате потока новых теоретических концепций, новых, улучшенных и укрепленных материалов и новых методов соединения, то прогресс туннелестроения был обязан в большей степени непрерывному совершенствованию строительных приемов.

НОВЫЙ ЗАЛ ГРАЖДАНСКОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

В Музее истории и технологии недавно был создан Зал гражданского строительства, в котором туннелестроение всесторонне освещено с исторической точки зрения, — чего ранее не делалось ни в одном американском музее. Руководящим принципом экспозиции было выбрано не исчерпывающее описание всей истории туннелестроения, а демонстрация фундаментальных сдвигов, произошедших между первым систематическим использованием огня первобытным человеком для выемки породы при горных работах и применением в конце XIX века комбинации сжатого воздуха, чугунной обделки и подвижного щита в подводном туннеле. Эта конечная дата была выбрана потому, что именно в период примерно с 1830 по 1900 год происходило наиболее интенсивное развитие, и именно тогда туннелестроение превратилось в прочно укоренившуюся и важную отрасль гражданского строительства и, поистине, современной цивилизации. Методы современного туннелестроения настолько полно описаны в текущей литературе, что было сочтено гораздо более полезным посвятить экспозицию целиком тому отрезку истории этой области, который освещается реже.

Рисунок 3. — Гузекский туннель. Работы на более поздних этапах с применением пневматических перфораторов Бёрли, смонтированных на каретках. Нижний уступ бурится в рамках подготовки к взрывным работам с использованием нитроглицерина. Модель МИИT в масштабе 1/2 дюйма к футу. (Смитсоновское фото 49260-M.)

Основные достижения, о которых уже говорилось как о достижениях в области техники, а не теории, вполне естественно распадаются на две базовые категории: одна — поддержание массы рыхлого, нестабильного, создающего давление материала (проходка туннелей в мягком грунте); и диаметрально противоположная проблема отделения породы от основного массива, когда он настолько крепок и тверд, что может выдерживать свой собственный нависающий вес по мере того, как в нем прокладывается проем (проходка туннелей в скальных или твердых породах).

Для того чтобы последовательность была представлена исчерпывающим образом, привлекательным и понятным для непросвещенного зрителя, единственным логичным средством презентации стали модели. Было выбрано шесть туннелей, причем все они пройдены в XIX веке. Каждый из них представляет либо принципиально новую концепцию технологии туннелестроения, либо важное ее раннее применение. Модели этих сооружений составляют основу экспозиции. Не предпринималось никаких попыток ограничить работы исключительно проектами на американской земле. По сути, это было бы совершенно невозможно, если бы требовалось составить точную картину технологии туннелестроения; ведь, как и практически во всех других областях техники, общее развитие в этой сфере носит международный характер. Искусство горного дела впервые получило высокое развитие в Средние века в германских государствах; туннельный щит был изобретен французом, проживавшим в Англии, а применение сжатого воздуха для вытеснения воды из подводных туннелей было впервые внедрено на крупном сооружении американцем. Кроме того, оба главных подраздела — проходка туннелей в скальных породах и в мягком грунте — предваряются моделью не реальной выработки, а моделирующей ранние классические методы, которые применялись на протяжении столетий вплоть до сравнительно недавнего развития более эффективных систем крепления грунта и разрушения пород. Особое внимание на протяжении всей серии из восьми моделей уделяется точности деталей; при их создании по возможности использовались первоисточники описательной и графической информации. Во всех случаях, за исключением вводной модели в серии скальных туннелей, изображающей добычу меди ранними цивилизациями, этими источниками служили современные им отчеты.

План использования единого масштаба уменьшения повсеместно, с тем чтобы облегчить восприятие зрителями, к сожалению, оказался непрактичным из-за большой разницы в площади, которую необходимо охватить в различных моделях, и необходимости того, чтобы витрины, в которых они размещаются, были одинаковой высоты. Связанные между собой модели подземных дорог Бродвей и Тауэр представляют короткие участки туннелей диаметром всего около 8 футов, что позволяет использовать относительно крупный масштаб — 1,5 дюйма к футу. И наоборот, для того чтобы модель туннеля Брюнеля под Темзой была максимально эффективной, потребовалось включить одну из вертикальных концевых шахт, использовавшихся при его строительстве. Их глубина составляла около 60 футов, и поэтому был использован гораздо более мелкий масштаб — 1/4 дюйма к футу. Это различие не столь запутанно, как может показаться, поскольку человеческие фигуры в каждой модели обеспечивают непосредственное и точное ощущение пропорций и масштаба.

Тщательное продумывание было уделено внутреннему освещению моделей, поскольку это был один из критических факторов в создании, насколько это возможно в модели, атмосферы, убедительно воспроизводящей работу, которая ведется исключительно при искусственном освещении. Замечательный реализм был достигнут за счет использования пластиковых стержней для подведения света к крошечным источникам освещения туннеля, таким как свечи на шахтерских касках в Гузекском туннеле и газовые рожки в туннеле под Темзой. Никаких миниатюрных лампочек несоразмерно большого размера, обычно применяемых в таких случаях, не использовалось. В нескольких точках, где общее освещение непосредственно внутри туннеля поддерживалось на низком уровне для имитации естественной атмосферы работ, с помощью кнопок можно включить скрытые светильники, чтобы проявить детали, которые в противном случае остались бы невидимыми.

Остальной материал в туннельной секции Музея дополнительно расширяет представление о двух главных аспектах туннелестроения. Ограничения по площади не позволили рассмотреть множество интересных сопутствующих вопросов, жизненно важных для туннелестроения, таких как уникальные проблемы подземной маркшейдерии и предельная точность, требуемая при триангуляции и последующем наведении выработки в длинных горных туннелях; или сложные проблемы вентиляции протяженных выработок как во время проходки, так и при эксплуатации; или несколько основных методов, разработанных за годы для проходки или строительства туннелей нестандартными способами [1].

Проходка туннелей в скальных породах

В то время как искусство проходки туннелей в мягком грунте имеет относительно недавнее происхождение, искусство проходки скальных туннелей уходит своими корнями глубоко в древность. Тем не менее линия его развития не является абсолютно прямой, ее логичнее прослеживать через тесно связанную отрасль техники — горное дело. Развитие методов горного дела практически непрерывно, в то время как между редкими работами, предпринятыми примерно до XVIII века с целью обеспечения прохода сквозь толщу земли, прослеживается мало преемственности или связи.

Египтяне были первыми людьми в зарегистрированной истории, проложившими выработки, зачастую значительных масштабов, в сплошной породе. Как и для всех масштабных творений этой нации, возможность реализации столь грандиозных пропорций объяснялась исключительно неисчерпаемым запасом человеческой рабочей силы и небрежным отношением к жизни. Гробницы и храмы, отвоеванные у скальных массивов долины Нила, являются памятниками упорства, а не технического мастерства. Ни египтяне, ни какие-либо другие народы до Средневековья не оставили каких-либо последовательных свидетельств того, что они были способны пробивать грунты, которые не удерживались бы над проемом подобно прочной породе. В Египте зародились методы разрушения пород, которые оставались классическими вплоть до первого применения взрывных работ с использованием пороха в XVII веке, легшего в основу последовавшей технологии горных работ.

Несмотря на религиозные мотивы, вдохновившие самые ранние скальные выработки, более постоянным и универсальным на протяжении истории был стимул добывать полезные и декоративные минералы, скрытые под поверхностью земли. Именно шахтер разработал методы, введенные ранними цивилизациями для откалывания породы от первичного массива, и добавил усовершенствования в виде подземной маркшейдерии и вентиляции, — все это впоследствии было ассимилировано в новое искусство прокладки туннелей большого диаметра. Эта связь становится еще более очевидной из-за того, что туннельщиков до сих пор называют шахтерами.

ДОБЫЧА МЕДИ, ДО Н. Э.

Поэтому первая модель в серии, отражающая элементарные методы разрушения пород, изображает меднорудную шахту в твердой породе (рис. 1). Из-за отсутствия конкретной информации о подобных работах в дохристианскую эпоху эта модель не привязана к какому-либо конкретному периоду или местности, а в общих чертах представляет рудник в районе Рио-Тинто в Испании, где медь добывается по меньшей мере с 1000 года до н. э. Аналогичные выработки существовали в Тироле уже примерно с 1600 года до н. э. На модели показаны два способа откалывания породы: слева — самый примитивный из всех методов, с помощью молотка и зубила, которые не требуют дальнейшего описания. Справа два человека используют первый метод разрушения породы, в котором применялась сила, превосходящая мышечную силу человека, — извечный метод «огневой палки». Порода тщательно разогревалась сильным костром, разведенным у ее забоя, а затем внезапно охлаждалась путем плескания на нее воды. Термический шок расщеплял породу или руду на куски, легко удаляемые вручную.

Рисунок 4. — Гузекский туннель. Нижняя часть центральной шахты с подъемной клетью и бадьей для породы; насосы крайние справа. По центру верхний уступ бурится одиночным перфоратором Бёрли на колонковой стойке. Модель МИИT в масштабе 1/2 дюйма к футу. (Смитсоновское фото 49260-N.)

Применение этого метода под землей, разумеется, создавало жутко испорченную атмосферу. Трудно представить, что доставляло шахтерам большее страдание: дым, пар или токсичные испарения от обжигаемой руды. Даже при выполнении силами работников, которых считали более или менее расходным материалом, этот метод можно было применять только там, где имелась хоть какая-то вентиляция: естественные вытяжные каналы и конвекционные потоки были главными источниками циркуляции воздуха. Несмотря на недостатки огневой системы, ее простота и эффективность перевешивали настолько, что история ее применения продолжалась практически до сегодняшнего дня. Метод огневой палки имел наибольшее значение в годы интенсивных горных работ в Европе до появления взрывных работ, однако его использование во многих отдаленных районах почти не замедлялось вплоть до начала XX века из-за его низкой стоимости по сравнению с порохом. По этой же причине он имел ограниченное применение в реальных туннельных работах примерно до 1900 года.

Непосредственная ручная работа с кайлом, зубилом и молотком, а также огневая палка были главными средствами выемки породы на протяжении веков. Хотя в определенных ситуациях также пользовались популярностью различные клиновые системы, их значение было столь незначительным, что они не показаны на модели.

ГУЗЕКСКИЙ ТУННЕЛЬ

В серии моделей удалось, не пренебрегая никакими крупными достижениями в искусстве проходки скальных туннелей, завершить последовательность развития всего лишь с помощью одной дополнительной модели. Многие величайшие творения гражданского строительства были связаны непосредственно с транспортом и поэтому являются продуктом современной эпохи, начавшейся в начале XIX века. Развитие древних искусств трассировки, мостостроения и прокладки туннелей получило мощный стимул после 1800 года под воздействием современных каналов, шоссе и, особенно, железных дорог.

Гузекский туннель, проложенный сквозь Гузекские горы в самом северо-западном углу штата Массачусетс между 1851 и 1875 годами, стал первой крупной туннельной работой в Соединенных Штатах. Его важность объясняется не столько этим, сколько тем, что он буквально является истоком современной технологии проходки туннелей в твердых породах. Удивительно то, что работы были начаты с использованием методов проходки, остававшихся практически неизменными на протяжении предшествующих веков, а завершены двадцатью годами позже с помощью технологий, которые для того времени были почти полностью механизированы. Заложенная на строительстве Гузекского туннеля базовая схема работы с применением пневматических перфораторов и эффективных взрывчатых веществ остается практически неизменной и по сей день.

Общая история проекта Гузекского туннеля задокументирована настолько подробно, что здесь будет достаточно самого краткого описания его политических аспектов. Гузекские горы представляли собой главное препятствие на пути железной дороги, проект которой соединял Гринфилд, штат Массачусетс, и Трой, штат Нью-Йорк. Линия была инициирована группой бостонских купцов для обеспечения прямиком маршрута к бурно развивающемуся Западу в конкурентной борьбе с прибрежными маршрутами через Нью-Йорк. Единственно экономически разумный маршрут включал прокладку туннеля длиной почти в пять миль через гору — протяженность абсолютна беспрецедентная и грандиозное предприятие с учетом относительно примитивных доступных тогда методов обработки породы.

Рисунок 5. — Скальный перфоратор Бёрли, усовершенствованная модель около 1870 г., установленный на раме для поверхностных работ. (Каталог и прейскурант: The Burleigh Rock Drill Company, 1876.)

Большая протяженность выработки и стремление к быстрой эксплуатации стимулировали инновации с самого начала работ. Самые ранние попытки механизации, хотя и неэффективные и не оказавшие влияния на туннелестроение до многих лет спустя, представляют определенный интерес. Они принимали форму нескольких экспериментальных машин «полного сечения», призванных разрабатывать весь забой за одну операцию путем прорезания одной или нескольких концентрических канавок в породе. Порода, остававшаяся между канавками, должна была взрываться. Первая испытаная такая машина успешно пробурила проем диаметром 24 фута на глубину 10 футов до своего полного выхода из строя. Несколько более поздних машин доказали свою сопоставимость по достоинствам [2]. Именно выдающийся главный инженер железной дороги Балтимор — Огайо Бенджамин Х. Латроб в своем «Докладе о Гузекском туннеле» (Baltimore, Oct. 1, 1862, p. 125) заявил, что подобные аппараты содержат в своей собственной конструкции элементы краха, «…поскольку они требуют от машин слишком многого, а от породы — слишком мало работы, тем самым противореча фундаментальным принципам, на которых строится всякая трудосберегающая техника… Я мог рассматривать это только как неверное применение механической гениальности».

Рисунок 6. — Гузекский туннель. Фотография перфораторов Бёрли в рабочем забое, сделанная с помощью вспышки. (Фото любезно предоставлено Государственной библиотекой Содружества Массачусетс.)

Латроб сформулировал основную философию работ по проходке скальных туннелей. Ни один механический агент никогда не мог превзойти эффективность взрывных веществ в деле дробления породы. По этой причине логичное применение техники в туннелестроении заключалось не в замене или изменении самого фундаментального процесса, а в том, чтобы сделать его выполнение более быстрым за счет механического бурения шпуров для размещения взрывчатки.

Фактические работы на Гузекском туннеле начались с обоих концов туннеля примерно в 1854 году, но без особого полезного эффекта вплоть до 1858 года, когда был заключен контракт с известным инженером-строителем и железнодорожным строителем Германом Хауптом из Филадельфии. Хаупт немедленно возобснил исследования усовершенствованных методов проходки туннелей — как полносеченных машин, так и механических перфораторов. В то время технология механических перфораторов находилась на стадии за пределами, но недалеко ушедшей от начальных экспериментов. Существовала одна работоспособная американская машина — перфоратор Фоула, изобретенный в 1851 году. Он работал на паре и применялся на карьерных работах, хотя, судя по всему, в коммерческих масштабах не использовался. Тем не менее он был слишком велик и громоздок, чтобы найти какое-либо применение в туннелестроении. Тем не менее в своем рабочем принципе он содержал зачаток практичного перфоратора, поскольку буровая штанга крепилась непосредственно к поршню двойного действия паровой машины и приводилась им в возвратно-поступательное движение. Чрезвычайно важным моментом была независимость его работы от силы притяжения, что позволяло осуществлять бурение в любом направлении.

Экспериментируя, Хаупт продвигал работы вперед классическими методами, показанными в левой части модели (рис. 2). Далеко справа с помощью кайлы и молотка формируется опережающий забой или штольня; затем она углубляется в верхнюю прирезку забоя, имеющую достаточную высоту для бурения с помощью молотка, что фактически является основной туннельной операцией. Показана бригада, осуществляющая «двойное забуривание», то есть использующая двуручные молотки, в то время как стальной бур удерживается третьим человеком. Это был самый эффективный из нескольких методов ручного бурения. Схема с верхней прирезкой забоя соблюдалась для того, чтобы основную массу породы можно было удалить в виде нижней ступени (бенча), а подавляющая часть бурения направлялась вниз, что очевидно является наиболее эффективным направлением. Взрывные работы велись черным порохом и его коммерческими разновидностями. Были допущены некоторые вольности в изображении этих шагов, чтобы обе операции можно было показать в рамках модели: на практике забой держался на расстоянии от 400 до 600 футов впереди ступени, чтобы взрывы в забое не мешали работам на ступени. Каретка для работы на ступени просто облегчала обращение с раздробленной породой. Во время взрывов она откатывалась назад.

Рисунок 7. — Гузекский туннель. Группа шахтеров спускается в западную шахту с перфоратором Бёрли. (Фото любезно предоставлено Государственной библиотекой Содружества Массачусетс.)

Эксперименты, проведенные Хауптом с машинными перфораторами, не принесли немедленных полезных результатов. Перфоратор, спроектированный Хауптом и его соратником Стюартом Гвинном в 1858 году, бурил твердый гранит со скоростью 5/8 дюйма в минуту, однако был недостаточно прочным, чтобы выдержать эксплуатацию. Хаупт покинул работы в 1861 году, став жертвой острого политического давления и совершенно несправедливых обвинений в коррупции и бесхозяйственности. Работы были приостановлены до тех пор, пока их не взяла на себя государственная комиссия в 1862 году. Несмотря на ужасающую некомпетентность и вполне реальную коррупцию, этот период был чрезвычайно важен в долгой истории как Гузекского туннеля, так и туннелестроения в целом.

К тому времени чисто рутинная критика проекта стала яростной из-за чрезмерной продолжительности уже прошедшего времени и огромных затрат по сравнению с малой долей выполненных работ. Это послужило причиной возникновения у комиссии острого чувства необходимости форсировать проект. Шарль С. Сторроу, компетентный инженер, был отправлен в Европу для подготовки отчета о продвижении туннельных работ там и, в частности, о механизации на строившемся тогда Мон-Сениском туннеле между Францией и Италией. Жермен Соммейе, его главный инженер, после экспериментов, аналогичных опытам Хаупта, изобрел относительно эффективную бурильную машину, которая была введена в эксплуатацию на Мон-Сенисе в марте 1861 года. Она представляла собой заметное усовершенствование по сравнению с ручным бурением, почти удвоив скорость бурения, но была сложной и крайне ненадежной. Требовалось двести перфораторов, чтобы поддерживать в работе 16 перфораторов. Но важнейшим моментом здесь был тот факт, что Соммейе приводил свои перфораторы в действие не паром, а воздухом, сжатым у порталов туннеля и подаваемым по трубам к рабочему забою. Именно этот единственный фактор — вопрос применения, а не изобретения — сделал механический перфоратор пригодным для туннелестроения.

Все предшествующие усилия в области машинного бурения по обе стороны Атлантики были направлены на использование пара в качестве движущей силы. В глубоких туннелях, где вентиляция уже сама по себе была неизбежной проблемой, выхлоп парового перфоратора в атмосферу был недопустим. Кроме того, пар нельзя было транспортировать по трубам на большие расстояния из-за серьезных потерь энергии на излучение тепла и конденсацию. Генерация пара непосредственно внутри самого туннеля, очевидно, исключалась. Именно комбинация практичного перфоратора и параллельного изобретения Соммейе практичного воздушного компрессора привела к первому работоспособному применению машинного бурения пород в туннелестроении.

Рисунки 8 и 9. — Гузекский туннель. Современные гравюры. Поскольку столь крупные общие площади невозможно было достаточным образом осветить для фотографии, модель Музея основывалась главным образом на художественных версиях работ. (Science Record, 1872; Leslie's Weekly, 1873.)

Перфораторы Соммейе произвели на Сторроу огромное впечатление, и его отчет от ноября 1862 года решительно выступал за их внедрение на Гузекском туннеле. Любопытно однако, что в США не было привезено ни единого экземпляра даже для испытаний. Сторроу упоминает о намерении Соммейе держать детали машины в секрете до ее дальнейшего усовершенствования с целью ее последующей коммерческой эксплуатации. Дело в том, что, несмотря на свою работоспособность, перфоратор Соммейе оказался тупиковой ветвью в развитии скальных буров из-за множества фундаментальных недостатков. Он оказал косвенное вдохновляющее влияние, которое в сочетании с острой необходимостью спешки привело к возобновлению испытаний бурильной техники на Гузекском туннеле. Томас Доан, главный инженер при государственной комиссии, энергично продвигал эту программу, разыскивая и поощряя изобретателей и сам работая над проблемой. В целом за образец был взят перфоратор Соммейе; то есть перфоратор проектировался как отдельный, относительно легкий механический элемент, приспособленный для переноски несколькими шахтерами и крепящийся к подвижной раме или каретке во время работы. Предполагаемой движущей силой, разумеется, был воздух. Чтобы перфоратор был эффективным, требовалось, чтобы он автоматически подавал буровую штангу по мере углубления шпура, а также автоматически вращал штангу для поддержания круглого, гладкого отверстия. Крайне важна была долговечность, которая обычно становилась причиной отказа машины. Сочетание этих характеристик в машине, способной вколачивать буровую штангу в породу с большой силой, возможно, пять раз в секунду, являлось суровым испытанием на изобретательность и материалы. В 1864 году у Доана имелось три разных экспериментальных перфоратора, а также различные компрессоры с паровым и водяным приводом.

Успех пришел наконец в 1865 году с изобретением перфоратора Чарльзом Бёрли, инженером-механиком с известного завода Putnam Machine Works в Фитчбурге, штат Массачусетс. Перфораторы были впервые применены в восточном забое в июне 1866 года. Несмотря на хорошую работу, их первоначальный успех ограничивался недостаточной надежностью и вытекающими отсюда высокими расходами на ремонт. Их описывали как имеющие «несколько самых слабых мест». В ноябре эти перфораторы были заменены усовершенствованным перфоратором Бёрли, который использовался с полным успехом до конца работ. Эпоха современного скального туннелестроения была тем самым положена проницательностью Соммейе, впервые применившего пневматическую энергию к машинному перфоратору, настойчивостью Доана в поиске досконально практичного перфоратора и механическим талантом Бёрли в его создании. Острая необходимость завершить Гузекский туннель может с полным правом считаться величайшим стимулом к разработке успешного перфоратора.

Значение этого изобретения было далеко идущим. Перфоратор Бёрли был первым практичным механическим скальным буром в Америке и, учитывая его надежность, эффективность и простоту по сравнению с перфоратором Соммейе, возможно, и в мире. Перфоратор Бёрли добился успеха почти мгновенно. Он был запущен в производство на заводе Putnam для компании Burleigh Rock Drill Company еще до завершения Гузекского туннеля в 1876 году, и его использование распространилось по всему региону шахт на западе и на другие туннельные работы. Для крупного изобретения его внедрение было, в относительных выражениях, мгновенным. Он стал прототипом всех последующих перфораторов поршневого типа, которые стали называть собирательно «бёрли» независимо от производителя. Уолтер Шенли, канадский подрядчик, который в конечном счете завершил Гузекский туннель, сообщил в 1870 году, после того как перфораторы проработали достаточное время, чтобы методы их наиболее эффективного использования были полностью поняты и эффективно применены, что перфораторы Бёрли позволили сэкономить около половины затрат на бурение по сравнению с ручным бурением. Стоимость машинного бурения в расчете на дюйм составляла в среднем 5,5 цента со всеми расходами против 11,2 цента при ручной работе. Более важный показатель — скорость — виден из отчетов о среднемесячном продвижении самого туннеля до и после начала использования пневматических перфораторов.

Year Average monthly

progress in feet

1865 55

1866 48

1867 99

1868 —

1869 138

1870 126

1871 145

1872 124

Рисунок 10. — Взрыв тринитроглицерина в Гузекском туннеле. (Leslie's Weekly, 1873.)

Правая часть модели (рис. 3) представляет выработки в финальный период. После внедрения перфораторов Бёрли в основном использовалась система с нижним уступом. От четырех до шести перфораторов устанавливались на каретке, разработанной Доаном. Они бурили шпуры для первого взрыва в центре забоя примерно за шесть часов. Полная ширина забоя — 24-футовая ширина туннеля — затем бурилась и взрывалась еще в два приема. Как и на раннем участке, уступы сзади позднее удалялись на полную высоту туннеля, составляющую около 20 футов. Эта операция показана одним перфоратором (рис. 4), установленным на винтовой колонне. Работы продвигались вперед в три 8-часовых смены: бурение занимало половину времени, а половина уходила на откат каретки, взрывные работы и отгрузку породы (уборку раздробленной породы).

Центральная шахта туннеля глубиной 1028 футов, завершенная по контракту Шенли в 1870 году для обеспечения двух дополнительных рабочих забовов, а также в качестве вентиляционной шахты, показана на самом правом краю этой половины модели. Поскольку она была завершена так близко к концу проекта, лишь 15 процентов туннеля было пройдено из шахты.

Колоссальный рост темпов продвижения объяснялся не только машинным бурением. С самого начала своего руководства Доан предпринял эксперименты со взрывчатыми веществами, а также с перфораторами, разыскивая агент более эффективный, чем черный порох. В данном случае потребность в скорости была не единственным стимулом. По мере того как восточный и западный забои продвигались все дальше и дальше от порталов, проблема вентиляции становилась все более острой, и становилось все труднее удалять токсичные газы, выделяемые при взрывах черного пороха.

В 1866 году Доун ввез из Европы образец тринитроглицерина — жидкого взрывчатого вещества, недавно представленного Нобелем и известного в Европе как «глоноиновое масло», а в США как «нитроглицерин». Он уже приобрел устрашающую репутацию из-за своей склонности разлагаться от тепла и времени и взрываться при малейшем поводе или без него. Тем не менее, его колоссальная мощность и характеристика практически полного отсутствия дыма побудили Доуна нанять химика Джорджа В. Моубрея, который производил взрывные работы для Дрейка на нефтяных месторождениях Пенсильвании, для разработки методов крупномасштабного производства нового агента и его безопасного применения в тоннеле.

Рисунок 11.— Строительная бригада на изысканиях тоннеля Хусак у инженерного бюро. Для обеспечения правильного вертикального и горизонтального выравнивания и смыкания нескольких отдельно проходимых участков требовалась наивысшая точность наземных и подземных изыскательских работ. (Фото предоставлено Государственной библиотекой Содружества Массачусетс.)

Моубрей создал предприятие на горе и вскоре разработал совершенно новую практику взрывных работ на основе этого взрывчатого вещества. Его стабильность была значительно повышена за счет поддержания абсолютной чистоты в производственном процессе. Замораживание жидкости для уменьшения ее чувствительности при транспортировке к забоям и крайняя осторожность при обращении с ней еще больше снизили опасность ее использования. На забое жидкость заливали в цилиндрические патроны для размещения в шпурах. Как и в случае с перфоратором Берли, всеобщее внедрение нитроглицерина произошло сразу же после того, как были продемонстрированы его качества. Эффект от работы был заметным. Его взрывные характеристики позволяли делать меньше шпуров на заданную площадь фронта рабочей поверхности и в то же время позволяли эффективно взрывать более глубокий шпур — 42 дюйма против 30 дюймов для дымного пороха, так что в идеальных условиях на один цикл операций длина проходимого тоннеля увеличивалась на 40 процентов. Были разработаны новый взрыватель и система электрического зажигания, которые обеспечивали одновременную детонацию и приводили к такой степени эффективности, которая была невозможна при использовании пороховой дорожки и бикфордова шнура, применявшихся с дымным порохом. В период с 1866 года и до завершения строительства тоннеля Моубрей произвел более миллиона фунтов нитроглицерина.

Рисунок 12.— Завод у центральной шахты тоннеля Хусак для подъемного, насосного и воздухокомпрессорного оборудования, а также общего ремонта, 1871 г. (Фото предоставлено Государственной библиотекой Содружества Массачусетс.)

Рисунок 13.— Тоннель Хусак. Здание воздушного компрессора на реке Хусак близ Норт-Адамса. Компрессоры приводились в действие частично за счет гидроэнергии, получаемой от реки. (Фото предоставлено Государственной библиотекой Содружества Массачусетс.)

Рисунок 14.— Западный портал тоннеля Хусак до завершения строительства, 1868 г., с изображением шести рядов облицовочного кирпича. (Фото предоставлено Государственной библиотекой Содружества Массачусетс.)

Когда в 1868 году братья Шенли взяли на себя работы после политических трудностей, сопутствовавших эксплуатации со стороны штата, период экспериментов подошел к концу. Тоннель прокладывался по совершенно современным методам, и по сей день общие концепции остались в основном неизменными: поршневой перфоратор Берли был заменен более легким молотковым буром; буровая каретка Доуна — более гибким «джамбо»; нитроглицерин — его более стабильным потомком динамитом и его альтернативами; а электростатические взрывные машинки — более надежными магнитоэлектрическими. Но все это носит характер улучшений, а не инноваций.

В отличие от предыдущей модели, эта имела хорошую документацию. Кроме того, Хусак, по-видимому, был первым американским тоннелем, который был хорошо задокументирован фотографически. Сохранились ранние снимки работающих на забое перфораторов, сделанные с использованием вспышки (рис. 6), а также порталов, подъемных и насосных сооружений у центральной шахты, большей части оборудования и сопутствующих аспектов проекта. Они и копии чертежей значительной части экспериментального аппарата Доуна — редкая технологическая летопись — хранятся в Государственной библиотеке Массачусетса.

Проходка тоннелей в мягких грунтах

Разница между проходкой тоннелей в твердых породах и в мягких грунтах столь велика, что они представляют собой две практически обособленные области. При проникании в грунт, не обладающий достаточной твердостью или сцеплением для поддержания себя над выработкой, главной заботой шахтера является не удаление материала, а предотвращение его обрушения в выработку. Примитивные методы, основанные на грубой силе и прямом применении огня и человеческого труда, подходили для штурма скальных пород, но в них не было ухищрений, необходимых для работы в менее стабильном материале. Римские инженеры преуспели в перекрытии подземных путей каменными арками, но, судя по всему, большая часть их работ выполнялась открытым способом, а не методом подземной разработки.

Лишь в Средние века развилось умение эффективно вести выработки в мягком грунте, и лишь в эпоху Возрождения это развитие стало настолько стабильно успешным, что его можно было считать наукой.

ГОРНОЕ ДЕЛО ЭПОХИ ВОЗРОЖДЕНИЯ

С самых ранних периодов обработки горных пород поиски полезных ископаемых и металлов были основной силой, увлекавшей людей под землю. Именно технология горного дела, ставшая результатом медленной эволюции на протяжении веков, превратилась в технологию раннего тоннелестроения без каких-либо существенных изменений, за исключением размеров выработок.

Каждый аспект горного дела XVI века детально описан в замечательном труде Георгия Агриколы De re Metallica, впервые изданном в Базеле в 1556 году. В период своего активного влияния, длившегося два века, он служил авторитетным трудом по данному вопросу. Он и по сей день остается беспрецедентным ранним свидетельством целой отрасли технологии. Великолепные ксилографии горных выработок и инструментов сами по себе представляют собой точное описание техники того периода и служат идеальным источником информации для создания первой модели в серии по мягким грунтам.

Рисунок 15.— Кружала для укладки готовой каменной кладки у западного портала, 1874 г. Вверху справа видны навесы, где производился облицовочный кирпич. (Фото предоставлено Государственной библиотекой Содружества Массачусетс.)

Модель, изображающая типичный европейский рудник, демонстрирует раннее использование деревянных рам или «стандартных крепей» для поддержки слабого материала стен и потолка. В зонах лишь умеренной неустойчивости крепи сами по себе были достаточны для противодействия давлению земли и располагались в зависимости от требуемой степени поддержки. В более экстремальных условиях снаружи рам устанавливалась сплошная затяжка из небольших жердей или досок, как показано на модели, чтобы обеспечить абсолютную поддержку грунта. Детали каркаса, ворота и все инструменты и приспособления были взяты из трудов Агриколы без какой-либо необходимости в толковании или интерполяции.

Базовая схема крепления, состоящая из лежня, боковых стоек и верхняка, соединенных в шип, с использованием затяжки там, где это необходимо, была без изменений перенесена в практику тоннелестроения, особенно при проходке малых разведочных выработок. Она оставалась в таком применении вплоть до середины XX века.

Давление, оказываемое на тоннели большой площади, во время строительства компенсировалось более сложными системами деревянной крепи, развившимися из базовой. К тому времени, когда тоннели сечения, достаточного для размещения каналов и железных дорог, стали предприниматься как рядовые инженерно-строительные работы, возникли национально различимые системы, каждая из которых имела свои характерные достоинства и недостатки. Как и следовало ожидать, английская система крепления тоннелей, например, редко применялась на континенте, а немецкая, австрийская или бельгийская системы обычно не встречались в Великобритании. Все они так или иначе использовались в этой стране до тех пор, примерно в 1855 году, не была внедрена американская система. В то время как в шахтах деревянная крепь обычно оставалась на месте, в тоннельных работах за ней следовала постоянная каменная арочная кладка и обделка.

Наверху в Зале гражданского строительства музея установлены рамы, представляющие английскую, австрийскую и американскую системы. Рядом серия небольших рельефных моделей (рис. 19) используется для демонстрации последовательности расширения железнодорожного тоннеля в мягком грунте примерно 1855 года с использованием австрийской системы. Временная деревянная крепежная поддержка тоннелей вышла из употребления постепенно после появления щитовой проходки в сочетании с чугунной обделкой. Это формировало идеальную поддержку непосредственно позади щита, а также постоянную обделку тоннеля.

Рисунок 16.— Западный портал после завершения строительства, 1876 г. (Фото предоставлено Нью-Йоркским историческим обществом.) Нажмите на изображение для просмотра цветной версии плаката.

ТРАНСКИЙ ТОННЕЛЬ БРЮНЕЛЯ

Внутренние поверхности тоннелей, проходящих через просто неустойчивый грунт, поддаются укреплению с помощью различных систем деревянной крепи и арок. Это становится все менее применимым по мере роста текучести грунта. Мягкий материал, который обычно составляет русла рек, может приближаться к почти жидкому состоянию, что приводит к гидравлическому напору от нависающей воды, достаточному для того, чтобы препятствовать проходке даже самой тщательно проработанной выработки, поддерживаемой простой деревянной крепью. Основным недостатком систем крепи, используемых в горном деле и тоннелестроении, было то, что неизменно оставался определенный участок забоя или потолка, не имеющий поддержки непосредственно перед установкой рамы или размещением над ней необходимого участка затяжки. В шахтных работах текучий грунт мог прорваться и прорывался через такие зазоры, заполняя выработку. По этой причине до 1825 года не предпринималось серьезных попыток прокладки подводных тоннелей.

В том году начались работы по сооружению тоннеля под Темзой между районами Ротерхит и Ваппинг в Лондоне под руководством уже прославленного инженера Марка Изамбарда Брюнеля (1769–1849), отца И. К. Брюнеля. Это предприятие представляет большой интерес тем, что Брюнель применил совершенно новый аппарат собственного изобретения для обеспечения непрерывной и надежной поддержки мягкой водоносной глины, слагавшей речное дно. С помощью этого «щита» Брюнель смог проложить первый в мире подводный тоннель. [3]

Щит был чугунным, прямоугольным в плане и продвигался вперед с помощью домкратов. Полки в верхней, нижней и боковых частях поддерживали крышу, пол и стены тоннеля до тех пор, пока не была уложена постоянная кирпичная обделка. Рабочий забой — критическая зона — поддерживался большим количеством небольших «забойных досок», прижимаемых к грунту индивидуальными небольшими винтами, упирающимися в каркас щита. Сам щит состоял из 12 отдельных рам, каждая из которых могла выдвигаться независимо от других. Высота составляла 22 фута 3 дюйма, ширина — 37 футов 6 дюймов.

Продвижение осуществлялось по частям. Во время работы шахтеры удаляли по одной забойной доске за раз, производили выемку перед ней, а затем возвращали ее на выдвинутое положение — примерно на 6 дюймов вперед. Это повторялось со следующей доской выше или ниже, и последовательность продолжалась до тех пор, пока не был извлечен грунт на всю высоту одной из 12 секций. Винты досок для этой секции переставлялись так, чтобы упираться в соседние рамы, снимая с рамы продольное давление. Затем ее можно было ввинчивать вперед на величину шага продвижения, при этом винты упирались сзади в готовую кладку. Таким образом, шаг за шагом тоннель медленно продвигался вперед, причем наибольшее недельное продвижение составляло 14 футов.

Рисунок 17.— Проходка тоннелей в мягких грунтах. Поддержка стен и потолка шахтного ствола с помощью простой деревянной крепи; XVI век. Модель Музея истории и технологии в масштабе 3/4" (Фото Smithsonian 49260-J.)

В левой части модели показан ствол, пройденный для начала работ; здесь же показан бадьевый подъемник для удаления породы. Паровая машина V-образного типа, приводившая в движение подъемник, была спроектирована Брюнелем. Справа от основной модели находится увеличенная деталь щита — фактически усовершенствованная версия, построенная в 1835 году.

Работа продолжалась вопреки неудачам всех видов. Финансовые проблемы здесь перечислять не нужно. Технически же, хотя принцип щита оказался работоспособным, обеспечиваемая им поддержка не была безупречной. Четыре или пять раз река прорывала тонкий слой ила и затопляла выработки, несмотря на предельную осторожность при выемке. Когда это происходило, массы глины, мешки с песком и маты сбрасывались в проем на дне реки для его герметизации, а тоннель откачивался. И. К. Брюнель исполнял обязанности управляющего и несколько раз чуть не погиб. После нескольких приостановок работ, вызванных прекращением или истощением финансирования, одна из которых длилась семь лет, работы были завершены в 1843 году.

Несмотря на то, что Брюнель впервые продемонстрировал практический метод тоннелестроения в прочных и водоносных грунтах, огромная стоимость работ и практически непреодолимые проблемы произвели скорее обескураживающий эффект. Лишь четверть века спустя был предпринят аналогичный проект.

Темский тоннель использовался для пешеходного и легкого гужевого движения примерно до 1870 года, когда он был включен в систему Лондонского метрополитена, которой служит и по сей день. Перекрытые крышей верхние секции двух шахт до сих пор видны с реки.

Существует ряд современных популярных описаний тоннеля, но одно из самых подробных и интересных изложений по отдельной тоннельной работе любой эпохи принадлежит Генри Лоу и озаглавлено «Мемуары о Темском тоннеле», опубликованному в 1845–1846 годах Джоном Уили. Лоу, выдающийся инженер-строитель, невероятно подробно описывает работы от их зарождения до крупной приостановки в конце 1828 года, когда было построено чуть более половины тоннеля. Самым ценным аспектом его хроники является серия таблиц с инженерными чертежами щита и его компонентов, которые, насколько известно, больше нигде не встречаются. Они легли в основу увеличенной секции щита, показанной справа от модели самого тоннеля. Вертикальный разрез через щит воспроизведен здесь из работы Лоу для сравнения с моделью (рис. 21 и 23).